PCB検査方法ガイド：AOI・X線検査・ICT・機能検査（FCT）の違いと選び方

ポイント

• PCBの検査には主に4つの方法があります。表面の欠陥を検出する自動光学検査（AOI）、内部のはんだ接合部を見るX線検査、部品単位の電気的特性を確認するICT（インサーキットテスト）、そして基板が本来の動作をするかを確認する機能検査（FCT）です。
• どの方法にも見えない不良があります。AOIはBGAの下は見られず、ICTはファームウェアが起動するかはわからず、機能検査では400箇所のはんだのうちどこが不良か特定できません。
• X線検査は、BGAやQFNなどボトムターミナル部品の下に隠れたはんだ接合部を検査できる唯一の実用的な方法です。
• 検査基準はIPC-A-610（現在のリビジョンは2024年3月発行のJ）に基づき格付けされ、すべての状態がクラス1・2・3のもとで「許容」「プロセスインジケータ」「欠陥」に分類されます。
• 適切な検査の組み合わせは、生産量・基板の複雑さ・信頼性クラスによって決まり、最も高価な装置を買うことでは決まりません。

ハードウェア開発では、ある種の率直な問いに答える必要があります。この基板は動くのか、どうやってそれを確認するのか。本記事は、量産を委託先メーカーに任せる前に、PCBがどのように検査されるのかを理解したいハードウェア起業家、設計エンジニア、調達担当者のためのガイドです。PCBの検査は、検査工程と電気的検査の層を重ねる形で行われます。光学検査とX線検査で実装不良を捉え、その後にICTと機能検査で、基板が電気的に正常で設計どおりに動作することを確認します。それぞれの層が、前の層が見逃したものを捉えます。

PCBに複数の検査方法が必要な理由

現代のPCBには数百個の部品と数千箇所のはんだ接合部が載っており、立ち上がり（トゥームストーン）した抵抗1個やパワーFETの下のボイドひとつでも基板全体を死なせることがあります。単一の検査ではすべての不良モードを見ることはできないため、製造業者は相補的な方法を組み合わせます。検査で物理的な欠陥を、電気的検査で機能的な欠陥を見つけます。

漏斗で考えるとわかりやすいです。光学検査は表面の明白な問題を高速かつ安価にふるい分け、X線検査は光学では見えないものを掘り下げ、電気的検査で基板が回路図のとおりに動くことを確認します。ある工程をすり抜けた不良は次の工程で捉えられる。これが層を重ねる目的です。これはPCB実装工程の後段、リフロー後・出荷前に位置する工程です。

自動光学検査（AOI）

自動光学検査（AOI）は、高解像度カメラとストラクチャードライティングで実装済みの基板を撮影し、良品と照合して比較する検査です。AOI検査は基板あたり数秒で、部品の欠落、異部品実装、ずれ、立ち上がり、ブリッジ、はんだの不足・過剰を検出します。あらゆるSMTラインで最も速く、最も一般的な不良スクリーニングです。

優れたAOIシステムが検出するのは、上面から見える不良です。

• 部品の有無と極性： 部品が存在するか、向きは正しいか。
• 実装精度： ずれた部品、回転した部品、斜めになった部品。
• はんだフィレットの形状： ブリッジ、はんだ不足、立ち上がり。
• 異部品・入れ替え部品： パッケージと印字で判定。

AOIを実施する位置

多くのラインではAOIを2回行います。1回目はステンシル印刷直後のはんだペースト検査（SPI）として、2回目はリフロー後です。部品を実装する前にペーストの異常を捉えれば、完成した基板を廃棄するよりはるかに安く済みます。リフロー後のAOIは、オーブンを無事通過したかを確認します。

盲点

AOIは視線上にあるものしか見られません。部品の下面に隠れたはんだ接合部は見えません。BGA（ボールグリッドアレイ）はすべての接合部をパッケージの下に隠し、QFNはサーマルパッドを視界外に置いています。こうした部品に対して光学検査では不十分で、そこでX線が登場します。

X線検査

X線検査は、基板に放射線を透過させてはんだなど密度の高い材料をはっきり映し出し、部品の下に隠れた接合部を確認する検査です。BGA、QFN、その他のボトムターミナル部品を検査する唯一の実用的な方法であり、どのカメラにも届かないボイド、ヘッドインピロー、オープン、ショート、内部クラックを検出します。

製造現場で一般的な方式は2つあります。

X線検査員がBGAで確認するのは、ボールの丸さ、隣接ボール間のブリッジ、ヘッドインピロー（ボールとランドが溶け合っていない状態）、ボイドです。ボイドは接合部面積の割合として格付けされます。小さなボイドは正常ですが、サーマルボールやパワーボールの下に大きなボイドがあると、放熱と電流容量を損ないます。許容基準はIPC-A-610とIPC-7095シリーズに定められています。

X線検査はAOIより基板あたりの時間もコストもかかるため、通常はすべての接合部ではなく高リスク部品を対象に行います。BGAやQFNがない基板では、必要ないこともあります。

ICT（インサーキットテスト）

ICT（インサーキットテスト）は、通常ベッドオブネイル治具を通じて基板上の個々のネットへ電気的に接触し、各部品を実装状態のまま測定します。ICTは抵抗やコンデンサの値、ダイオードやトランジスタの向き、オープン、ショート、部品の欠落を部品レベルで確認します。強力な電気的スクリーニングですが、テストポイントへのアクセスと専用治具が必要です。

仕組みを理解することが重要です。ベッドオブネイル治具は、専用テストパッドへ押し当てられるバネ式ピンが並んだトレイで、テスターは各部品に電源を供給し各ネットをプローブして、部品の存在・正しさ・接続を確認します。部品を個別にチェックするため、ICTはどの部品や接合部が不良か正確に特定でき、これは通常、機能検査ではできません。

トレードオフ

ICTの強みはそのままコストです。治具は基板レイアウトごとに専用で、製作に数週間かかることがあり、ICTが採算に合うのは一定以上の量産時です。またレイアウトに依存します。プローブ可能なテストポイントが十分にないと、回路の大半に届きません。このようなカバレッジの判断は、IPC-A-610の仕上げ基準と並行して、初期段階で行うものであって、後付けではありません。

低量産向けの代替として、フライングプローブ検査があります。固定されたベッドオブネイルのかわりに、少数の高速プローブが順番に各ネットへ接触します。基板あたりの時間はかかりますが、専用治具が不要なため、プロトタイプや少量ロットにとって合理的な選択です。

機能検査（FCT）

機能検査は、完成した基板に電源を入れ、実際の製品と同じように動作させ、本来の役割が果たせるかを確認します。ICTが部品を個別に確認するのに対し、FCTはシステムを確認します。起動するのか、正しい電圧を出力するのか、センサーと通信できるのか、入力に応答するのか。実際の製品に最も近い検査で、基板が生きた状態でしか現れない不良を捉えます。

機能検査の治具は、製品ごとに構築されます。入力信号を印加したり、出力を読んだり、ファームウェアを書き込んだり、セルフテストを実行したり、通信バスを確認したりする場合があります。モーターコントローラーなら、負荷を回して電流と速度を確認し、IoTセンサーなら無線とアナログフロントエンドを確認します。これが、顧客満足度に直結する最後の関門です。

限界は診断の分解能です。FCTが返すのは通常、合格か不合格だけで、不良箇所までは教えてくれません。基板が不合格になった場合、根本原因を突き止めるには、AOIのデータ、X線、ICTの結果が必要になることが多いのです。このため、これらの方法は競合関係ではなく、ひと組として機能します。

検査方法の組み合わせの選び方

適切な組み合わせは、3つの要素、すなわち生産量、基板の複雑さ、IPC-A-610に基づく信頼性クラスによって決まります。50個のプロトタイプロットにICTをかけるのは、BGAだらけの産業用基板でX線検査を省略するのと同じくらい無駄です。

次を出発点としてください。

1. AOIは必ず実施する。 高速で安価であり、実装不良の大半を捉えます。ファインピッチ設計では、リフロー前のSPIは費用に見合います。
2. 隠れ接合部があればX線を追加する。 BGA、QFN、その他のボトムターミナル部品がある限り、実質的に必須です。該当部品がなければ、必須ではありません。
3. 量産ならICTを追加する。 部品レベルのカバレッジが必要で、レイアウトにそれを支えるテストポイントがある場合です。プロトタイプや小ロットにはフライングプローブを使います。
4. 「動くこと」が譲れないもの、つまりほぼすべての製品で、最終関門として機能検査を行う。

中国へのPCB実装のアウトソーシングを検討している場合は、委託先に、標準でどの検査を行い、どれが別料金になるのかを明確にしてもらってください。Faradineでは、すべての基板を出荷前に機能検査しており、専任のプロジェクトマネージャーがお客様の設計に合わせた具体的な検査計画をご説明します。

よくある質問

AOI検査とX線検査の違いは何ですか？

AOIはカメラで見える表面を検査するため、部品の欠落、実装ずれ、ブリッジ、不良フィレットを高速かつ安価に検出します。一方、X線検査は基板を透過して、BGAのボールやQFNのサーマルパッドなど、部品の下に隠れた接合部を検査します。AOIは広範囲の一次スクリーニングであり、X線検査はAOIが物理的に見られない、隠れた高リスクの接合部を対象とします。

少量生産でもICT検査は必要ですか？

通常は不要です。ICTには、製作に数週間かかる専用のベッドオブネイル治具が必要で、採算が取れるのは比較的大量生産の場合です。プロトタイプや小ロットでは、フライングプローブ検査が治具なしで同等の部品レベルカバレッジを、時間はかかるものの提供します。量産が進み、基板あたりの検査時間が問題になってきた段階で、専用のICTが経済的に合理となります。

機能検査だけでは不十分ですか？

機能検査は基板が本来の役割を果たすかを確認しますが、返されるのは通常、合格か不合格だけで、不良箇所までは示しません。単独では、まだ故障につながっていない繊細な実装不良を見逃すことがあります。機能検査にAOI、必要に応じてX線検査を組み合わせれば、「動作すること」の確認と、「動かないものを修理するための」診断データの両方が得られます。

PCBの検査基準を定める規格は何ですか？

「IPC-A-610（電子アセンブリの受容性）」が、最も広く使われる外観判定基準です。現在のリビジョンはJで、2024年3月に発行されました。すべての状態をクラス1（一般民生機器）からクラス3（高信頼性機器）までの3つの製品クラスにわたり、「許容」「プロセスインジケータ」「欠陥」に分類します。はんだ付け工程の要求事項は、併用規格であるIPC J-STD-001で規定されています。

隠れているBGAのはんだ接合部はどう検査しますか？

BGAの接合部はパッケージの下にあるため、カメラでは見えません。標準的な対策はX線検査です。基板を透過してはんだボールを直接画像化します。検査員はボールの形状と間隔を確認し、ブリッジやヘッドインピローを探し、ボイドをIPC-7095などのIPC基準に照らして接合部面積の割合として格付けします。

検査を増やせば品質は上がるのですか？

いいえ。品質は、基板の複雑さ、量産規模、信頼性クラスに検査の組み合わせを合わせることで生まれ、すべての基板にすべての方法をかけることでは生まれません。単純な低量産基板への過剰検査は、実リスクを下げることなく、お金と時間を無駄にします。目指すべきは、お客様の設計と用途が実際に直面する不良モードをカバーすることです。

お客様の基板に合わせた検査計画を

PCBがどう検査されるかを知るのは簡単です。難しいのは、設計・量産規模・信頼性目標に合った検査方法の組み合わせを決めるところです。量産にコミットする前に、明確な書面の検査計画が欲しい場合は、Faradineのチームにご相談ください。AOI、X線検査、ICT、機能検査を、プロジェクトのニーズに合わせて設計します。